一種邏輯卷存儲空間的擴展方法
2023-05-28 05:30:06 1
專利名稱：一種邏輯卷存儲空間的擴展方法
技術領域：
本發明涉及一種邏輯巻存儲空間的擴展方法，尤其涉及一種可隨著數據 對邏輯巻的不斷寫入動態、連續地擴展邏輯巻存儲空間的方法。
背景技術：
邏輯巻管理(英文全名Logical Volume Management,以下簡稱LVM) 區別於傳統的磁碟分割區空間劃分管理方式，其提供了更高階、更有效率的 方式來管理系統磁碟存儲空間。簡單來說，通過LVM的管理方式建立的宗 巻能夠在不破壞現有數據的前提下輕易地調整存儲媒介，新的硬碟加入後能 夠立即將新的硬碟空間併入原本的宗巻直接使用。LVM對於大型的資料庫 運作環境能夠提供了一個完備的存儲空間環境， 一般系統管理上也能夠更有 效地管理系統分配的可用空間。
現今，隨著數據存儲技術的迅猛發展，LVM技術已經得到了越來越廣 泛地應用。LVM可以把物理磁碟或者廉價磁碟冗餘陣列(英文全名 Redundant Arrays of Inexpensive Disks,以下簡稱RAID)設備等多個存儲設 備統一管理，組成一個巻組(Volume Group,簡稱VG)，用戶在巻組中劃 分出指定大小的邏輯巻(LogicVolume,簡稱LV)使用。巻組中使用的物理磁 盤或者RAID設備，被統稱為物理巻(Physical Volume,簡稱PV)。 一個邏 輯巻可以只佔用一個存儲設備的一部分，或者跨越多個存儲設備，並且可以 適當地調整存儲空間大小，因此在空間利用上非常靈活，實現了存儲設備的 虛擬化。
下面，簡單介紹一下LVM的工作方式。每一個物理巻都被劃分成幾個 基本單元，即所謂的物理區域(Physical Extent,簡稱PE)。在每一個物理 巻中，每一個PE都具有一個唯一的識別編號(ID號)。PE是一個物理存儲 設備中可以被LVM定址的最小存儲單元。每一個邏輯巻也被分成一些可被 定址的基本單元，即所謂的邏輯區域(Logical Extent,簡稱LE)。在同一個巻組中，LE的大小與PE是相同的，很顯然，LE的大小對於一個巻組中的 所有邏輯巻來說都是相同的。在一個物理巻中，每一個PE都具有一個唯一 的ID號，但是這對於邏輯巻而言，並不一定是必需的。這是因為當這些PE 的ID號不能使用時，邏輯巻可以由一些物理巻組成。因此，LE的ID號是 用於識別LE以及與之相關的特定PE的。正如前面所提到的，LE與PE之 間是一一對應的。每一次存儲區域被定址訪問或者LE的ID號被使用，都會 把數據寫在物理存儲設備之上。
那麼有關邏輯巻和邏輯巻組的所有元數據都存儲到哪裡去了呢？類似 的，在非LVM系統中，有關分區的數據是存儲在分區表中，而分區表被存 儲在了每一個物理巻的起始位置。巻組描述符區域(Volume Group Descriptor Area,簡稱VGDA)的功能就好像是LVM的分區表，它存儲在每一個物理 巻的起始處。當系統啟動邏輯巻時，巻組也被啟動，並且巻組描述符區域被 載入至存儲器。巻組描述符區域幫助識別邏輯巻的實際存儲位置。當系統想 要訪問存儲設備時，由巻組描述符區域建立起來的映射機制就用以訪問實際 的物理位置來執行輸入/輸出(I/O)作業。
然而，公知技術的這種做法仍然存有諸多缺陷，特別是邏輯巻依然仿照 了物理設備的特點，在開始創立遠端巻時，就分配了足夠的存儲空間給此邏 輯巻使用。這個已分配的存儲空間，不論此邏輯巻是否已經使用，都不能再 被其他的邏輯巻使用。例如建立一個邏輯巻之前，預計此邏輯巻需要支援 256GB的存儲空間，但實際上只用到64GB的數據，剩餘的空間就被浪費掉 了。
雖然，目前很多邏輯巻管理器(Logical Volume Manager)都支援邏輯巻 存儲空間的收縮和擴展功能，但是邏輯巻存儲空間的收縮功能，在實際應用 中很少用到，這是因為很難預料到剩餘的空間是否還會被使用；而目前邏輯 巻存儲空間的擴展功能，只能在存儲空間不夠用時，由管理員手動完成，增 加了管理成本，此外，現有的邏輯巻空間擴展方法，還會引起空間不連續的 問題，以致影響數據讀寫效能。因此，目前公知的LVM技術中依然沒有一 種有效的邏輯巻存儲空間的擴展方法能夠克服從建立遠端巻開始就必須分 配足夠大的存儲空間所帶來的弊端。
發明內容
為了解決上述公知技術中的問題與缺陷，本發明的目的在於提供一種邏 輯巻存儲空間的擴展方法，可隨著數據對邏輯巻的不斷寫入，自動、及時地 擴展邏輯巻存儲空間，並且能夠有效地解決空間擴展不連續的問題，因而將 擴展空間對數據讀寫效能的影響降到最低。
本發明所提供的一種邏輯巻存儲空間的擴展方法，包含以下步驟
使用邏輯巻管理器創建邏輯巻，並按照分配用戶指定空間的比例為邏輯 巻分配存儲空間；在已分配的存儲空間後面預留一段連續的擴展空間；在數 據寫入過程中，即時判斷邏輯巻的存儲空間是否需要擴展，直至數據寫入完 成，其中當擴展空間的剩餘空間量低於一個預定比例值，但數據寫入尚未完 成之時，可判斷此邏輯巻的存儲空間需要擴展；如果需要擴展，則根據對先 前預留擴展空間的使用情況，通過計算空間擴展遞增係數得出新的需要保留 的擴展空間的大小，用以在邏輯巻管理器管理的空間範圍內再保留出一段連 續的擴展空間；以及，如果不需要擴展，則直接寫入數據。
綜上所述，本發明的優點在於-
本發明旨在設計一種邏輯巻存儲空間的擴展方法，此方法可隨著數據對 邏輯巻的不斷寫入，動態地擴展邏輯巻存儲空間；並且能夠有效地解決空間 擴展不連續的問題，因而將擴展空間對數據讀寫效能的影響降到最低。
如此，當應用程式找到的一個幾兆兆字節(TB)的邏輯巻時，其在存儲 系統上可能只分配了幾個千兆字節(GB)的空間，隨著應用程式不斷寫入數 據，空間可自動及時地擴展，實現了存儲空間百分之百的利用率，因此這種 自動及時的擴展方式，既節約了磁碟空間，又節省了管理成本。而且，採用 這種新的邏輯巻管理方式後，結合遠端複製也能夠產生明顯的有益效果，艮P: 只需要同步實際的數據即可，大大節省了網絡帶寬與存儲空間。
採用本發明的邏輯巻存儲空間的動態擴展方法後，能夠具有應用上數據 讀寫在地址上連續的優點。如果每次都是在存儲空間不足的時悸， 一次擴展 一個或者幾個物理區域(PE)，那麼用戶一次寫入的數據很有可能會跨越數 個不連續的擴展空間，進而影響數據讀寫效能。使用本發明中的邏輯巻存儲 空間的動態擴展方法，則每次預留的連續擴展空間可以保證用戶一次寫入的 數據在此預留空間段內連續擴展。
圖1為根據本發明的一種邏輯巻存儲空間的擴展方法的方法流程圖；以
及
圖2為根據本發明中的計算空間擴展遞增係數的方法流程圖。
具體實施例方式
以下，將結合圖式部分對本發明的較佳實施方式作詳細說明。 現在請參考圖1，此圖為根據本發明的一種邏輯巻存儲空間的擴展方法
的方法流程圖，如圖所示，本發明的邏輯巻存儲空間的動態擴展方法，包含
以下步驟
使用邏輯巻管理器創建邏輯巻，並按照分配用戶指定空間的比例為邏輯 巻分配存儲空間，如步驟100，其中，分配用戶指定空間的比例可由用戶或 系統管理員自由設定，也可以是系統預設值；
在已分配的存儲空間後面預留一段連續的擴展空間，如步驟200,其中， 初次預留的擴展空間的大小，可由系統管理員根據需要設定；
當有新的數據請求寫入，如步驟300時，判斷邏輯巻的存儲空間是否需 要擴展，如步驟400;
如果需要擴展，則根據對先前預留擴展空間的使用情況，通過計算空間 擴展遞增係數得出新的需要保留的擴展空間的大小，用以在邏輯巻管理器管 理的空間範圍內再保留出一段連續的擴展空間，如步驟500，而後寫入數據， 如步驟600;
如果不需要擴展，則直接寫入數據，如步驟600;以及 判斷是否還有新的數據請求寫入，如步驟700，如果有，則返回步驟400;
如果沒有，則結束。
其中，當擴展空間的剩餘空間量低於一預定比例值(可由用戶或系統管
理員根據需要設定)，但數據寫入尚未完成之時，可判斷邏輯巻的存儲空間
需要擴展。
圖2為根據本發明中的計算空間擴展遞增係數的方法流程圖。如圖所示，
本發明中計算空間擴展遞增係數的方法包含如下步驟記錄一段時間範圍內每個數據寫入周期內的空間擴展量，如步驟501; 判斷在此時間範圍內每個數據寫入周期內的空間擴展量的波動性大小， 如步驟502;
如果空間擴展量的波動性小，則對空間擴展量進行累加，再用累加值除 以周期總數，用以得出空間擴展遞增係數，如步驟503;
如果空間擴展量的波動性大，則以m個數據寫入周期為一個計量單位， 依次對之前的n個數據寫入周期進行分組，如步驟504;
統計每個計量單位內的空間擴展量，並按照時間的先後順序，對計量單 位內的數據賦予從低到高的權值，如步驟505;
對n/m個計量單位按照空間擴展量進行分組，將空間擴展量接近的計 量單位分在同一個組，並且相應地賦予較高的權值，如步驟506;以及
根據權值高低計算空間擴展量總和後，求出平均值，再加上一個計算偏 差係數，用以得出空間擴展遞增係數，如步驟507。
其中，m為用戶要求保證未來數據連續寫入的數據寫入周期的個數，n 和m的值可由用戶或系統管理員根據計算需要自行設定，但n應當可被m 整除。
下面，將從四個方面並結合實例對本發明的邏輯巻存儲空間的擴展方法
的目的、特徵及優點進行詳細描述 1、創建邏輯巻
用戶創建邏輯巻的時候，指定需要的邏輯巻存儲空間的大小。這個空間 大小， 一般是用戶預計的最大需要支援空間。邏輯巻管理器在創建邏輯巻的 時候，分配用戶指定空間中一定比例的空間。其餘空間隨著數據的不斷寫入， 自動進行擴展，最大可擴展到用戶已指定的空間大小。創建邏輯巻的時候， 分配用戶指定空間的比例，可以由用戶或者系統管理員自由設定。系統管理 員也可以不設置這個選項，而採用系統的預設值。例如，採用系統預設值
5%，則用戶指定的l兆兆字節(TB)的邏輯巻，創建的時候分配大約50千 兆字節(GB)的空間就夠了。
為了保證應用的連續性，需要在已分配的存儲空間後面保留一段連續的 擴展空間。這樣，在已分配的存儲空間用完的時候，可以保證擴展空間是在 邏輯連續的地址上進行分配。保留的擴展空間，只是為此邏輯巻預留，並不是此邏輯巻已經分配的存儲空間。實際擴展後的空間，才計算入此邏輯巻的 己分配空間。保留的擴展空間的大小，可以由系統管理員設定。
保留的擴展空間使用完後，我們需要在邏輯巻管理器管理的空間範圍內
再保留出一段連續的擴展空間。計算再次保留的擴展空間的大小，在本發明 中採用一種空間擴展遞增係數的計算方法，用以保證不保留大量存儲空間的
情況下數據的可連續訪問性。仍以上面的實例說明假如用戶指定的l兆兆
字節(TB)的邏輯巻，創建的時候分配了大約50千兆字節(GB)的空間， 保留了10千兆字節(GB)的擴展空間，當保留的擴展空間使用完後，將根 據對保留擴展空間的使用情況，計算出新的需要保留的擴展空間的大小。
為邏輯巻保留的擴展空間，由於實際上仍然是尚未分配的存儲空間。因 此，在存儲資源緊張的時候，可由系統管理員決定此保留的擴展空間是否可 以被其他邏輯巻使用。
2、計算空間擴展遞增係數
數據產生與訪問一般都會有一個周期。例如， 一個數據中心以一天為一 個周期，數據訪問通常也是對某天的數據的訪問，或者某幾天的數據的集中 訪問。
記錄一段時間範圍內每個周期內的空間擴展量。
如果在這段時間範圍內，每個周期內的空間擴展量的波動性不大，則對 空間擴展量進行累加，再用累加值除以周期總數，得到的值就是空間擴展遞 增係數，此係數表示一個周期內準確的空間擴展量。利用此空間擴展遞增系 數，便可以計算得出要保證後續一個周期或者幾個周期內數據連續訪問所需 要保留的擴展空間大小。
另外，如果在記錄的時間範圍內，每個周期內的空間擴展量的波動性較 大，則為了保證對每個周期內數據的連續訪問，就不能再使用上面的簡單方 法計算擴展空間的大小。此種情況下計算出空間擴展遞增係數將取決於兩個
關鍵因素第一，最近周期內的空間擴展量，是對計算新的保留擴展空間的 大小影響較大；第二，對一定周期內的空間擴展量進行分組，成員最多的組， 也就是出現頻率最高的空間擴展量，對計算後續的保留擴展空間的大小影響 也很大。具體的計算方法舉例說明如下以用戶要求保證未來3個周期內的
數據連續訪問為例，對之前15個周期內的空間擴展情況進行分析，確定未來3個周期將需要的擴展空間大小。依次對數據分組，以3個周期為一個計 量單位，則之前的15個周期共有5個計量單位，統計每個計量單位內的空 間擴展量，按照時間的先後順序，對計量單位內的數據賦予從低到高的權值。 此外，對5個計量單位按照空間擴展量進行分組，例如有2個計量單位內 的空間擴展量接近，而其他3個計量單位的空間擴展量差別較大，則這兩個 空間擴展量接近的計量單位被分在同一個組，並且這兩個計量單位內也要相 應地被賦予較高的權值，然後，根據權值高低計算空間擴展量總和後，求出 平均值，再加上一個計算偏差係數，即可得出為保證未來3個周期數據連續 寫入需要保留的擴展空間大小。
3、 自動擴展時機的說明
要保證N個周期內數據的連續訪問，在每個周期的空間擴展量比較穩定 的情況下，只需要在N個周期過後開始保留新的擴展空間即可。因為預留的 連續擴展空間，可以保證這N個周期的連續擴展。保留新的擴展空間時，需 要計算新的擴展空間位置與大小。因為其後的連續地址可能已經被其他的邏 輯巻佔用，因此需要計算新的擴展空間位置，而新的擴展空間大小，則可根 據前面的空間擴展量情況通過上述計算方法產生。上次保留的但是未用盡的 擴展空間，可以由系統管理員指定策略，以決定是繼續供此邏輯巻使用，還 是返還給邏輯巻管理器。
為了避免偶然的數據量激增以致用盡預留的擴展空間的極端情況發生， 本發明的邏輯巻存儲空間的擴展方法還需要增加一個保護機制，即當所預 留的擴展空間的剩餘空間量低於一定比例值，但N個周期尚未結束的時候， 提前開始保留新的擴展空間。
4、 數據讀寫連續性的說明
邏輯巻存儲空間對用戶而言，是一段連續的存儲空間。這段連續的存儲 空間，在邏輯巻管理器的管理層可能連續，也可能不連續。邏輯巻管理器的 管理層， 一般是對連續的物理地址依次賦予邏輯地址，因此邏輯巻管理器的 管理層的空間連續基本上可以保證物理地址上的連續性。
採用本發明的邏輯巻存儲空間的擴展方法後，雖然整個邏輯巻空間地址 在邏輯巻管理器的管理層不再連續，但是可以保證每個數據訪問周期內的空 間地址在邏輯巻管理器的管理層連續。在實際應用中，對整個邏輯巻從頭到尾一次性連續訪問的應用場合很少， 一般都是針對某個周期或者某幾個周期 內數據的連續訪問。這樣，本發明的邏輯巻存儲空間的擴展方法就基本保證 了每次數據訪問的連續性。
權利要求
1.一種邏輯卷存儲空間的擴展方法，包含以下步驟使用邏輯卷管理器創建一邏輯卷，並按照分配用戶指定空間的比例為該邏輯卷分配一存儲空間；在已分配的該存儲空間後面預留一段連續的擴展空間；在數據寫入過程中，即時判斷該邏輯卷的存儲空間是否需要擴展，直至數據寫入完成，其中當擴展空間的剩餘空間量低於一預定比例值，但數據寫入尚未完成之時，可判斷該邏輯卷的存儲空間需要擴展；如果需要擴展，則根據對先前預留擴展空間的使用情況，通過計算空間擴展遞增係數得出新的需要保留的擴展空間的大小，用以在邏輯卷管理器管理的空間範圍內再保留出一段連續的擴展空間；以及如果不需要擴展，則直接寫入數據。
2. 如權利要求1所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中計算空間擴展 遞增係數包含如下步驟記錄一段時間範圍內每個數據寫入周期內的空間擴展量； 判斷在該時間範圍內每個數據寫入周期內的空間擴展量的波動性大小；以及如果該空間擴展量的波動性小，則對空間擴展量進行累加，再用累加值 除以周期總數，用以得出空間擴展遞增係數。
3. 如權利要求2所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中計算空間擴展 遞增係數還包含如下步驟如果該空間擴展量的波動性大，則以m個數據寫入周期為一個計量單 位，依次對之前的n個數據寫入周期進行分組；統計每個計量單位內的空間擴展量，並按照時間的先後順序，對計量單 位內的數據賦予從低到高的權值；對n/m個計量單位按照空間擴展量進行分組，將空間擴展量接近的計 量單位分在同一個組，並且相應地賦予較高的權值；以及根據權值高低計算空間擴展量總和後，求出平均值，再加上一個計算偏 差係數，用以得出空間擴展遞增係數。
4. 如權利要求3所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中m為用戶要求保證未來數據連續寫入的數據寫入周期的個數，n和m的值可由用戶或系 統管理員根據計算需要自行設定，但n應當可被m整除。
5. 如權利要求1所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中分配用戶指定 空間的比例系由用戶或系統管理員自由設定。
6. 如權利要求1所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中分配用戶指定 空間的比例為 一系統預設值。
7. 如權利要求1所述的邏輯巻存儲空間的擴展方法，其中初次預留的擴 展空間的大小，可由系統管理員設定。
全文摘要
一種邏輯卷存儲空間的擴展方法，包含以下步驟使用邏輯卷管理器創建邏輯卷，並按照一定比例為邏輯卷分配存儲空間；在已分配的存儲空間後面預留一段連續的擴展空間；在數據寫入過程中，即時判斷邏輯卷的存儲空間是否需要擴展，直至數據寫入完成；如果需要擴展，則根據對先前預留擴展空間的使用情況，通過計算空間擴展遞增係數得出新的需要保留的擴展空間的大小，用以在邏輯卷管理器管理的空間範圍內再保留出一段連續的擴展空間；以及，如果不需要擴展，則直接寫入數據。此方法可隨著數據對邏輯卷的不斷寫入，動態地擴展邏輯卷存儲空間；並且能夠有效地解決空間擴展不連續的問題，因而將擴展空間對數據讀寫效能的影響降到最低。
文檔編號G06F12/02GK101620569SQ20081013296
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者姚海挺, 陳玄同 申請人:英業達股份有限公司